（通信与信息系统专业论文）移动终端上多天线方向图重构选择算法与基于滑动窗口的加速实现.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学通信与信息系统 研究方向：移动通信与无线技术 作 者：2 0 0 7 级研究生- 壬俊 指导教师：黄学军 题 目：移动终端上多天线方向图重 的加速实现 英文题目：m u l t i p l ea n t e n n ar e c o n f i g u r a b l ep a t t e r ns e l e c t i o n a l g o r i t h ma n da c c e l e r a t e dr e a l i z a t i o nb a s e do n s l i d i n gt i m ew i n d o w 主题词： 天线选择，方向图重构，滑动时间窗，m i m o k e y w o r d s ：a n t e n n as e l e c t i o n ，r e c o n f i g u r a b l ep a t t e r n s ，s l i d i n gt i m ew i n d o w ，m i m o 南京邮电大学硕：研究生学位论文 摘要 摘要 天线选择能有效减小信道弱相关所带来的影响，另外它还具有降低硬件成本与实现复 杂度的作用，它能从m i m o 系统的多个发射天线和多个接收天线中选择出性能最好的一个 或几个天线，从而以很小的性能损失换取成本的大幅降低，极大地提高了m i m o 系统的性 价比。电控可重构天线能够在不改变其机械结构的情况下，通过非机械的手段来改变其关 键的特性参数，如辐射方向图，因此可以通过控制天线的辐射结构以减少接收终端中的天 线数目，从而解决在个人移动终端中因天线数量过多，接收机过于复杂且天线间距过小等 一系列影响个人移动终端的使用和造型设计的重大问题，正是这些问题极大地限制了 m i m o 技术的发展和推广。 本文的重点就是结合方向图可重构技术，对应用于移动终端的天线选择( 方向图选择) 算法进行研究，并搭建实验通信机，将算法软件实现，分析实验结果并研究加速算法模型 以满足实时性的需要。 首先，本论文针对m i m o 中的重构方向图选择技术进行研究，在讨论了天线选择的基 本理论和常用算法的基础上，结合方向图可重构技术，考虑基于线性接收机的空间复用系 统，通过在已选择的发射天线上采用等功率分配等增益传输以减少反馈信息量。在此条件 下，推导出空间相关衰落信道下自适应发射天线选择算法。 其次，提出了基于滑动时间窗的选择算法加速梯度更新估计模型，使自适应多天线方 向图选择算法在小型移动终端的应用成为可能，为天线选择和重构算法的研究提供了一种 有效的实验手段，也为慢速移动信道条件下天线选择算法提供了一种在高层软实现的快速 方法。算法模型极大减少了最优方向图组合选择时间，基本达到了实时性的要求。 最后，将可重构方向图选择算法软件实现，先后基于i n t e l 、a t h e r o s 无线网卡的s d k 以及微软提供的n a t i v ew i f id d k 上完成了2 天线组合及3 天线组合版本代码的编写。支 持w i n d o w sx ps p 2 、s p 3 ，v i s t a ，w i n d o w s7 操作系统平台，其中基于n a t i v ew i f id d k 开发出的软件版本不依赖于具体的无线网卡平台。经过大量的t h r o u g h p u t 测试后发现， 结合方向图可重构天线的天线选择系统在通信性能上已经接近理想的水平，在配置有我们 的可重构选择系统的通信机在q o s 上比相同配置的通信机性能有较高的提升，尤其体现在 a p 的覆盖边缘。 关键字：天线选择，方向图重构，滑动时间窗，m i m o a b s t r a c t a n t e n n as e l e c t i o nc a l le f f e c t i v e l yr e d u c et h ep e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o nu n d e rt h ew e a i ( 1 v c o r r e l a t e dc h a n n e l s ；a l s oi tc a l lr e d u c et h ec o s ta n dc o m p l e x i t yo ft h em i m o s y s t e m a m t 锄a s e l e c t i o nc a nr e d u c e t h e e x p e n s e w i t hl e s s p e r f o r m a n c el o s sa n di n c r e a s e廿l e p e r f o r m a n c e - c o s t 。r a t i oo fm i m os y s t e m e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dr e c o n f i g u r a b l ea n t 锄ac a n c h a n g ei t sk e yp a r a m e t e r s ，s u c ha sr a d i a t i o np a t t e r n ，t h r o u g hn o n m e c h a n i c a lm e a l l sa 1 1 dn o t n e e dc h a n g et h es t r u c t u r eo fi t sm a c h i n e r y t h e r e f o r e , w ec a nr e d u c et 1 1 en u m b e ro f a n t e l l l l a si n t h er e c e i v i n gt e r m i n a lt h r o u g hc o n t r o l l i n gt h es t r u c t u r eo f t h ea n t e n n ar a d i a t i o n ；c o n s e q 口e n t l 舅 w ec a ns o l v eas e r i e so f m a j o ri s s u e st h a ta f f e c tt h eu s ea n ds t y l i n gd e s i g no f p e r s o n a lm o b i l e t e r m i n a l ，s u c ha so v e r m a n ya n t e n n a s ，w h i c hh a v eg r e a t l yl i m i t e dt h em i m ot e c h n o l o g y d e v e l o p m e n ta n dp r o m o t i o n t h ep a p e rf o c u so nt h er e s e a r c ho fa n t e n n as e l e c t i o n ( p a t t e r n ss e l e c t i o n ) a l g o r i t h m , w l l i c hi s b a s e do np a t t e r nr e c o n f i g u r a b l ea n t e n n aa n du s e di nm o b i l et e r m i n a l ，a n d b u i l d i n ge x p e m e i l t a l c o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n ta n dd e v e l o p p i n gt h es o a r eo f s e l e c t i o na l g o r i t h mt oa n a l y z er e s u l t s a n dt os t u d yt h ea c c e l e r a t i o na l g o r i t h mm o d e lt om e e tt h er e a l t i m en e e d s f i r s t l y , t h eb a s i ct h e o r ya n dc o m m o na l g o r i t h mo fa n t e n n as e l e c t i o ni sd i s c u s s e d a i l d a n t e n n a sc o n f i g u r a b l ep a t t e r ns e l e c t i o ni sc o n s i d e r e dt os a v es p a c e , u s i n gs p a t i a lm u l t i p l e x i n g w i t hl i n e a rr e c e i v e r s ，a n de q u a lp o w e ra n de q u a lr a t ea l l o c a t i o nt or e d u c ef e e d b a c ：ko v e r h e a d u n d e rt h e s ec o n s t r a i n t s ，as t a t i s t i c a l a d a p t i v et r a n s m i ta n t e n n ap a t t e r ns e l e c t i o ni ss t u d i e dt o i m p r o v et h ec a p a c i t yo fs p a t i a l l yc o r r e l a t e dm i m o f a d i n gc h a n n e l s s e c o n d l y , w ep r o p o s ear e f r e s h e dg r a d i e n te s t i m a t i o nm e t h o db a s e do ns l i d i n gt i m ew i n d o w w h i c hm a k et h ea l g o r i t h ma p p l i c a t i o n sp o s s i b l ef o rs m a l lm o b i l et e r m i n a l ，a n dp r o v i d e s a l l e f f e c t i v ee x p e r i m e n t a la p p r o a c hf o rt h er e s e a r c ho fr e c o n f i g u r a t i o na l g o r i t h m ，舔w e l l a sa q u i c k l ys o f t w a r er e a l i z a t i o no fa l g o r i t h mi nt h eu p p e rl e v e la r c h i t e c t u r eu n d e rs i o w m o v i n g c h a n n e lc o n d i t i o n s a n dt h em e a s u r e dr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h em e t h o dr e d u c e st h es e a r c h i n gt i m e o fr e c o n f i g n r a b l ep a t t e r n ss e l e c t i o n f i n a l l y , w ed e v e l o pt h ep a t t e r n ss e l e c t i o na l g o r i t h mr e a l i z a t i o ns o f t w a r et h a ti n c l u d e st l l e v e r s i o no f2a n t e n n aa n d3a n t e n n ag r o u p sb a s e do nt h es d k o fi n t e l ，a t h e r o sw i r e l e s sn e t w o r k c a r da n dm i c r o s o f tn a t i v ew i f id d k s u p p o r tf o rw i n d o w sx p s p 2 ，s p 3 ，v i s t aa i l d 、m n d o w s7 o p e r a t i n gs y s t e mp l a t f o r m a f t e rl o t so ft h r o u g h p u tt e s t sw ef o u n dt h a to u rp a t t e r n ss e l e c t i o n s y s t e mg e tc l o s et ot h ei d e a ll e v e li nc o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：a n t e n n as e l e c t i o n , r e c o n f i g u r a b l ep a t t e r n s ，s l i d i n gt i m ew i n d o w ，m i m o i i 南京邮电大学硕十研究生学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目j 录i 第一章绪论1 1 1 移动通信发展概况1 1 2m i m o 技术的出现3 1 3 方向图可重构天线技术简介4 1 4 本论文的主要研究内容5 1 5 本论文的创新意义7 第二章m i m o 系统中的天线选择技术8 2 1 天线选择的必要性。9 2 2 天线选择系统模型11 2 3 应用于空间分集系统的天线选择技术1 2 2 4 应用于空间复用系统的天线选择技术1 4 2 5 理想信道环境下的天线选择方案1 5 2 5 1 基于误码率的天线选择15 2 5 2 基于信道容量的天线选择1 7 2 6 相关信道环境下的天线选择方案1 7 2 7 性能分析1 8 2 7 1 系统模型1 8 2 7 2 天线选择系统的性能1 9 第三章移动终端多天线方向图重构快速选择算法研究2 2 3 1 引言2 2 3 2 系统与信道模型2 3 3 3 移动终端多天线方向图重构快速选择算法2 4 3 4 算法仿真与数值分析2 7 3 5 本章小结3 l 第四章基于滑动时间窗梯度更新的加速算法模型3 2 t 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 4 1 引言一3 2 4 2 数学模型的建立一3 2 4 3 滑动窗口大小的确定3 4 4 4 基于滑动窗口的方向图选择时间分析4 2 4 5 算法流程4 2 4 6 本章小结4 3 第五章方向图重构选择系统的软件实现与实验结果分析4 4 5 1 实验通信系统与方向图说明4 4 5 2 方向图重构选择算法的软件实现4 6 5 3 屏蔽室内的性能比较测试与分析5 0 5 4 室内a p 不同频段与带宽模式下的性能比较测试5 1 5 5 室内a p 覆盖范围远近的性能比较测试与分析5 3 5 6 时间窗加速算法的性能比较测试与分析5 3 5 7 本章小结5 5 第六章总结与展望5 6 6 1 总结5 6 6 2 进一步的研究工作5 6 6 2 1 与协同通信技术的结合5 7 参考文献6 0 附录a ：实验通信系统说明6 3 附录b ：理论公式推导步骤扫描图6 6 附录e - m a t l a b 仿真代码6 8 附录d ：软件实现部分v c 代码7 4 致谢8 0 攻读硕士学位期间发表的论文8 l h 南京邮电大学硕十研究生学位论文 第一章绪论 1 1 移动通信发展概况 第一章绪论 移动通信是现代无线通信系统中不可或缺的组成部分。移动通信不但集中了无线通信 和有线通信的最新技术成就，而且集中了网络接收和计算机技术的许多成果。目前，移动 通信已从模拟通信发展到了数字通信阶段，并且朝着个人通信这一更高阶段发展。未来移 动通信的目标是：能在任何时间、任何地点，向任何人提供快速可靠的通信服务。 移动通信发展的几个主要阶段可以总结如下： 第一代移动通信技术( 1 g ) ，主要采用的是模拟技术和频分多址( f d m a ) 技术。由于受 到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游，只能是一种区域性的移动通信系统。 第一代移动通信有多种制式，我国主要采用的是t a c s 。第一代移动通信有很多不足之处， 比如容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务、不 能提供自动漫游等。 第二代移动通信技术( 2 g ) ，主要采用的是数字的时分多址( t d m a ) 技术和码分多址 ( c d m a ) 技术。全球主要有g s m 和c d m a 两种体制。g s m 技术标准是欧洲提出的，目前全球绝 大多数国家使用这一标准。我国移动通信也主要是g s m 体制，比如中国移动的1 3 5 到1 3 9 手机，中国联通的1 3 0 到1 3 2 都是g s m 手机。目前使用g s m 的用户占国内市场的9 0 以上。 c d m a 是美国高通公司提出的标准，目前在美国、韩国等国家使用。联通公司在大规模发展。 主要业务是语音，其主要特性是提供数字化的话音业务及低速数据业务。它克服了模拟移 动通信系统的弱点，话音质量、保密性能得到大的提高，并可进行省内、省际自动漫游。 第二代移动通信替代第一代移动通信系统完成模拟技术向数字技术的转变，但由于第二代 采用不同的制式，移动通信标准不统一，用户只能在同一制式覆盖的范围内进行漫游，因 而无法进行全球漫游，由于第二代数字移动通信系统带宽有限，限制了数据业务的应用， 也无法实现高速率的业务如移动的多媒体业务。 2 5 代移动通信技术( 2 5 g ) ，在二代与三代技术之间，目前市场上还推出了2 5 代 技术，比如g p r s 技术和c d m a i x 技术。这些技术的传输速率虽然没有3 g 快，但理论上也 有1 0 0 多k ，实际应用基本可以达到拨号上网的速度，因此可以发送图片、收发电子邮件 等。同时，还可以广泛应用于生产领域。 第三代移动通信技术( 3 g ) ，与从前以模拟技术为代表的第一代和目前正在使用的第 1 南京邮电大学硕上研究生学位论文第一章绪论 二代移动通信技术相比，3 g 将有更宽的带宽，其传输速度最低为3 8 4 k ，最高为2m ，带宽 可达5m h z 以上。目前全球有三大标准，分别是欧洲提出的w c d m a 、美国提出的c d m a 2 0 0 0 和我国提出的t d - s c d m a 。不仅能传输话音，还能传输数据，从而提供快捷、方便的无线应 用，如无线接入i n t e r n e t 。能够实现高速数据传输和宽带多媒体服务是第三代移动通信的 两个主要特点。第三代移动通信网络能将高速移动接入和基于互联网协议的服务结合起 来，提高无线频谱利用效率。提供包括卫星在内的全球覆盖并实现有线和无线以及不同无 线网络之问业务的无缝连接。满足多媒体业务的要求，从而为用户提供更经济、内容更丰 富的无线通信服务。但第三代移动通信仍是基于地面、标准不统一的区域性通信系统。虽 然第三代移动通信可以比现有传输率快上千倍，但是未来仍无法满足多媒体的通信需求。 第四代移动通信系统的提供便是希望能满足提供更大的频宽需求，满足第三代移动通信尚 不能达到的在覆盖、质量、造价上支持的高速数据和高分辨率多媒体服务的需要。 b 3 g ( b e y o n d3 g ) 是国际电信联盟( i t u ) 在1 9 9 9 年底随着第三代移动通信系统技术标 准的尘埃落定之后提出的，它是面向3 g 进一步增强的无线通信技术。b 3 g 的目标是在高速 移动环境支持最高约l o o m b p s 的下行数据速率在室内和静止环境支持最高约1 g b p s 的下行 数据速率。i t u 已经制定了明确的时间表，计划在2 0 0 7 年世界无线电大会( w r c ) 上获得b 3 g 的频谱资源，在2 0 0 8 2 0 1 0 年左右完成技术标准的制定，在2 0 1 0 - 2 0 1 5 年左右商用。而且 近两年来，随着3 g 逐步开始商用化，各国对b 3 g 的研究越来越开始进入实质阶段。除了 围绕着业务、市场和频谱以外，对b 3 g 的技术研究也开始越来越多，越来越具体。欧洲、 日本和韩国都有相应的政府研究计划，如欧洲的w i n n e r 计划等。 第四代移动通信技术( 4 g ) 是指集3 g 与w l a n 于一体，并能够传输高质量视频图像， 它的图像传输质量与高清晰度电视不相上下。4 g 系统能够以l o o m b p s 的速度下载，比目前 的a d s l 快2 0 0 倍，比通常意义上的3 g 快5 0 倍，上传的速度也能达到2 0 m b p s ，并能够满 足几乎所有用户对于无线服务的要求。而在用户最为关注的价格方面，4 g 与固定宽带网络 在价格方面不相上下，而且计费方式更加灵活机动，用户完全可以根据自身的需求确定所 需的服务。此外，4 g 可以在d s l 和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展 到整个地区。 国际电信联盟( 丌u ) 目前已开始研究制定4 g 系统标准，把移动通信系统同其他系统 ( 如无限局域网：w l a n ) 结合起来，产生4 g 技术，2 0 1 0 年前使数据传输速率达到 l o o m b i t s 。提供更有效的多种业务，实现商业无线网络、局域网、蓝牙、广播、电视卫 星通信等的无缝衔接并相互兼容。4 g 具有更高的数据率和频谱利用率，更高的安全性、智 能性和灵活性，更高的传输质量和服务质量( q o s ) 。4 g 系统应体现移动与无线接入网及i p 2 南京邮电人学硕士研究生学位论文第一章绪论 网络不断融合的发展趋势。因此4 g 系统应当是一个全i p 的网络。 4 g 中的关键技术有o f d m 调制技术、软件无线电、m i m o 技术等。 1 2m i m o 技术的出现 随着无线通信系统业务需求的发展，无线通信系统已经从单纯的语音服务向图像，视 频，数据等多媒体方向全面发展。接近1 g b p s 的高速无线通信系统在日益发展的无线局域 网( w l a n ：w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ) 和家庭视听( a v ：a u d i o v i d e o ) 网络中引起了 人们极大的兴趣。目前，无线局域网可以提供峰值为l o m b p s 的传输速率，很快可以达到 5 0 - 1 0 0 m b p s 。然而，即使5 0 m b p s 的传输速率面对丰富的媒体内容从而引发的高速接入的 需求也显得力不从心。况且，未来家庭视听网络需要支持多种高速高清晰电视( h d t v ： h i g h d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) 系统，这大概也需要i g b p s 的带宽。这么高的传输速率对 有限的无线频谱资源来说是一个极大的挑战。从信息论角度的研究表明：在发送端和接收 端同时使用多根天线的多输入多输出系统( m i m o ：m u l t i i n p u t m u l t i o u t p u t ) 可以大大 增加无线通信系统的容量【1 ，2 】，并可以大大改善系统的性能，非常适合b 3 g 、4 g 无线通信 系统中高速业务的要求。因此，m i m o 技术成为下一代无线通信领域中的热门技术。目前， 已经有实验系统的测试表明：一个具有两个发射天线和两个接收天线的m i m o o f d m 系 统能够提供几十到一百兆的数据传输速率，达到与单天线系统相比大得多的系统容量增益 【3 】。 图1 1m i m o 系统 m i m o 系统可以简单定义如下【4 】：给定任意一个无线通信系统，考虑这样一个链路， 其发送端和接收端同时使用多根天线。这样的系统如图1 1 所示。m i m o 系统背后的想法 是使得发送端多天线和接收端多天线之间的信号是“组合”而成的。这样系统的服务质量 ( q o s ：q u a l i t yo fs e r v i c e ) 或数据传输率( b i t s s e c ) 将得到极大的提升。 3 堕室坚皇查兰堡圭竺窒生兰堡垒茎 笙二皇堕垒 m i m o 系统的一个核心想法是空时信号处理，这里的“时”就是普通数据通信中的“时 间”维度；而“空”是通过在发送和接收端使用多天线而构成的“空间分布维度。这样 的系统也可以被看作是传统智能天线( s m a r ta n t e n n a s ) 的一个自然延伸，后者是一种用来 提高无线系统传输率的流行技术。 m i m o 系统的关键特征在于，它可以将传统无线通信中的一个主要缺陷即多径传播 ( m u l t i p a t hp r o p a g a t i o n ) 转变成对系统有益的收益。m i m o 系统有效的利用了随机衰弱 5 】，在有益的情况下利用了多径时延扩展来增大传输速率【6 】。在不占用任何额外的频谱资 源的情形下( 只增加了硬件和复杂度) 同时却能大幅度的提高无线系统性能，这种前景使得 m i m o 系统作为一个新兴的研究领域取得了巨大的成功。与此同时，m i m o 系统也促进了 如信道建模，信息论和编码，信号处理，天线设计以及多天线蜂窝系统设计等研究领域的 发展【7 1 4 】。 1 3 方向图可重构天线技术简介 在各种军民用雷达、无线通信系统中，信息的出入依赖于天线。现代大容量、多功 能、超带宽综合信息系统的迅猛发展，使得同一平台上搭载的信息子系统数量增加，也使 得天线数目相应得增多。从降低综合信息系统的整体成本、减轻重量、减少雷达散射截面、 实现良好的电磁兼容特性方面来看，这种情况非常有害，也成为制约综合信息系统进一步 向大容量、多功能、超带宽方向发展和应用的一大“瓶颈 。非常需要一个天线能工作在 多个频段，多个模式以同时满足几个无线系统的需求。 电控可重构天线( e l e c t r o n i cr e c o n f i g u r a b l ea n t e n n a ) 1 5 就是在这种形势下被提出 来的。它是一种新颖的，并且越来越引起天线设计领域关注的天线技术，这种天线能够在 不改变其机械结构的情况下，通过非机械的手段来改变其关键的特性参数，如工作频率、 辐射方向图、极化方式、雷达散射截面和输入阻抗等等。这样电控可重构天线能在没有机 械变换部件的情况下适应不同的电磁环境。 电控可重构天线主要是通过使用射频微电子机械系统开关 1 6 】( r fm e m s 开关) 或者p i n 二极管开关控制天线的辐射结构来实现工作模式的切换。r fm e m s 开关和p i n 二极管开关 能够在几个微秒内做出反应，使用这种开关的电控可重构天线能在很短时间内重构。这种 情况下，天线的一些参数可以突破以前天线设计的极限，比如一部天线的工作频率可以从 几百m h z 到几十g h z 。电控可重构天线的应用范围非常广泛，从军事应用到商业应用。尤 其是现在飞速发展的无线通信和导航领域。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 相对于一般的宽带天线，电控可重构天线有以下优点： 1 ) 相对紧凑的结构，用一部天线完成原先几部天线才能完成的工作，相当于几部天 线共用一个物理辐射单元。系统结构更简单，相对减少了天线所用的空间，减轻 了天线系统的重量。 2 ) 在没有机械变换部件的情况下，可实现工作频率、辐射方向图、极化方式、雷达 散射截面和输入阻抗等特征参数的可重构。 3 ) 在所有的频段中有相似的辐射方向图和增益，在不同的工作频率采用类似的结构， 这种天线能够在几个频段内保持类似的辐射方向图和增益。 4 ) 频率可变，极化可变，有效的减少人为干扰和空间干扰。 5 ) 可以工作在相隔很远的几个频段上，可以进行工作频段切换，在一个频段内可以 进行频率微调。 6 ) 减少电波多路传播效应，通过动态的改变工作模式或者进行分集接收，减少多路 传播效应，如动态的极化改变技术。 7 ) 动态地改变辐射方向图，波束扫描技术或者自动零点对准技术。 辐射方向图是天线的关键特性之一，因此方向图可重构天线必然成为可重构天线研究 的重要方向。目前，科研工作者对在同一工作频率下方向图可重构天线进行了一些有意义 的研究 1 7 1 9 。研究表明，方向图可重构天线能够实现相控阵天线的功能。由于可重构天 线通过实时改变天线结构来控制辐射方向图，从而仅使用一个或很少几个信号馈入端口， 减少了多端口天线系统信号合成的麻烦，也消除了由于多端口信号合成过程引入的信号损 耗和噪声。方向图可重构天线可以满足智能武器寻的、汽车和飞机雷达、无线和卫星通信 网络以及空间遥感等要求，有广泛的应用前景。 1 4 本论文的主要研究内容 本论文针对m i m o 中的重构方向图选择技术进行研究，在讨论了天线选择的基本理论 和常用算法的基础上，结合方向图可重构技术，考虑基于线性接收机的空间复用系统，通 过在已选择的发射天线上采用等功率分配等增益传输以减少反馈信息量。在此条件下，推 导出空间相关衰落信道下自适应发射天线选择算法。此外，在实现中提出了一种基于滑动 时间窗的梯度更新估计模型，极大缩短了算法所需时间，使算法应用成为可能。同时，将 可重构方向图选择算法软件实现，先后基于i n t e l 、a t h e r o s 无线网卡的s d k 以及微软提 供的n a t i v ew i f id d k 上完成了2 天线组合及3 天线组合版本代码的编写。经过大量的 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 t h r o u g h p u t 测试后发现，结合方向图可重构天线的天线选择系统在通信性能上已经接近理 想的水平，在配置有我们的可重构选择系统的通信机在q o s 上比相同配置的通信机性能有 较高的提升，尤其体现在a p 的覆盖边缘。 全文的章节安排如下： 第一章，绪论。介绍了移动通信近几年的发展概况，m i m o 技术以及方向图可重构天 线技术的优势，并提出本论文的创新点。 第二章，论文对m i m o 系统中的天线选择技术做了一些研究与学习，并对一些天线选 择算法进行了性能分析。 第三章，提出了应用于移动终端的可提高系统容量的多天线方向图选择算法。算法基 于线性接收机的空间复用系统，通过在已选择的发射天线上采用等功率分配等增益传输以 减少反馈信息量。在此条件下，推导出空间相关衰落信道下自适应发射天线选择的统计容 量公式下限，然后，在此基础上提出基于方向图重构的发射天线快速选择方法以最大化该 容量值。同时，给出了算法m a t l a b 仿真，并对仿真结果进行了详细的数值分析，通过仿真 结果及数值分析，得出在高信噪比情况下，应该要增大发射天线的选择数目，而在低信噪 比时，应减少发射天线数以提高信噪比从而提升系统的容量的结论，几乎在整个信噪比变 化范围之内，提出算法都比非自适应选择算法性能优越。 第四章，提出了基于滑动时间窗的选择算法加速梯度更新估计模型，使自适应多天线 方向图选择算法在小型移动终端的应用成为可能，极大减少了最优方向图组合选择时间， 基本达到了实时性的要求。首先给出详细的理论分析并提出具体的算法数学模型，然后结 合理论分析以及软件实现对算法模型进行了方向图选择时间分析，提出该算法的优越性， 最后给出部分算法流程。在后面已软件实现的方向图可重构选择系统性能测试中，通过对 吞吐率的测试，将会发现基于滑动时间窗算法模型的最优方向图选择时间在原有基础上有 了极大的减少，而吞吐率性能几乎没有损失。 第五章，对基于滑动时间窗梯度更新估计算法的多天线重构方向图选择模型进行了软 件实现，先后基于i n t e l 、a t h e r o s 无线网卡的s d k 以及微软提供的n a t i v ew i f id d k 上 完成了2 天线组合及3 天线组合版本代码的编写。代码编写使用c + + 语言，可运行在w i n d o w s x ps p 2 、s p 3 ，v i s t a ，w i n d o w s7 操作系统平台上，而基于n a t i v ew i f id d k 的版本实现 则可运行在任何支持8 0 2 1 l a b g n 的无线网卡平台。首先给出部分软件实现流程图，然 后对基于软件实现的方向图重构选择系统进行了较全面的测试，包括：屏蔽室内的性能比 较测试，室内a p 覆盖范围远近的性能比较测试，室内a p 不同频段与带宽模式下的性能比 较测试等，之后对这些测试结果进行了详细的数值分析，并给出相应的结论。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第六章，总结了本论文的研究工作，并对下一步的研究工作的切入点进行了分析。 1 5 本论文的创新意义 本论文主要集中对m i m o 环境下的多天线方向图可重构选择算法、基于滑动时间窗的 加速梯度更新估计模型以及方向图重构选择系统的软件实现及相应的测试结果分析进行 了讨论与研究，主要的创新点与贡献有： ( 1 ) 提出了一种基于方向图可重构天线的、采用等功率等增益传输、自适应天线选择 统计容量下限的快速可重构天线选择算法。算法的仿真证明：在高信噪比情况下， 应该要选择更多的发射天线，而在低信噪比时，应选择更少的发射天线数以集中 能量发射、提高信噪比从而提升m i m o 天线选择系统的容量。室内8 0 2 1 l n 网 络中的实验证明：使用本算法第一步的可重构多天线系统比普通多天线系统吞吐 率提高1 0 一1 5 0 9 6 。 ( 2 ) 提出了一种基于滑动时间窗条件，可缩短重构方向图最优选择时间的算法模型， 该算法能够在不改动物理层的情况下，在上层使用软件即可方便地验证。为天线 选择和重构算法的研究提供了一种有效的实验手段，也为慢速移动信道条件下天 线选择算法提供了一种在高层软实现的快速方法。 此外，还将方向图可重构天线选择系统软件实现。先后基于i n t e l 、a t h e r o s 无线网 卡的s d k 以及微软提供的n a t i v ew i f id d k 上开发出2 天线组合及3 天线组合的软件版本， 支持w i n d o w sx ps p 2 、s p 3 ，v i s t a ，w i n d o w s7 操作系统平台，其中基于n a t i v ew i f id d k 开发出的软件版本不依赖于具体的无线网卡平台。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m i m o 系统中的天线选择技术 第二章m i m o 系统中的天线选择技术 随着通信技术的迅猛发展和用户需求的不断增长，新一代无线通信除了需要支持传统 的业务外，还要能够提供丰富的多媒体数据业务，这对通信系统的频谱效率和服务质量 ( q o s ) 提出了更高的要求。多输入多输出( m i m o ) 技术在发射端和接收端分别采用多个天 线，从而能够在不增加带宽的情况下成倍提高系统的数据传输速率和传输质量，是无线通 信领域的一个重大突破 1 1 1 。多天线技术作为提高通信系统容量的重要途径成为下一代无 线通信的一个研究热点 2 0 1 。 传统的无线通信系统中，发射端和接收端通常各使用一个天线，这种系统称为单输入 单输出( s i n g l ei n p u t s i n g l eo u t p u ts i s 0 ) 系统。则其容量由香农公式给定： o c = b l o g ：( 1 + p ) ，式中b 为带宽，p 为信噪比。香农公式给出了在有噪声的信道中进行可 靠通信的上限速率，使用任何的编码和调制手段只能接近这个速率而无法超越。虽然信噪 比每增加3 d b ，信道容量每秒每赫兹增加1 比特，这样似乎可以通过增大发射端的发射功 率来增加接收端的信噪比，但增加发射功率不但造成对环境的电磁污染，增加功率设备的 成本，而且在多用户情况下，来自其他用户的干扰电平通常高于系统的噪声，会增加多用 户之间的干扰。因此，比较合理的选择是在有限的频带内通过其他手段提高频谱利用率， 从而提高系统的整体容量。 分集技术是用来克服无线传输中多径衰落从而提高频谱利用率的一种技术，具体包括 空间分集、极化分集、角度分集等，其中的空间分集是最常采用的方法。接收端采用多个 天线的单输入多输出( s i m o ) 系统的分解称作接收分集，相应地，发射端采用多个天线的 多输入单输出( m i s o ) 系统属于发射分集。传统的分集方式主要是接收分集，而现在研究 较多的是发射分集，它非常适合用于无线通信的基站端，对于相同天线结构，它能够提供 与接收分集相同的性能。如果s i m o 和m i s o 分集系统的衰落分支相互独立，则它们可以 获得的分集阶数分别等于接收和发射天线数。 多输入输出( m i m o ) 系统通过在无线通信系统的两端都使用多个天线，大大增加了天 线的分集增益 2 1 1 。更重要的一点是，m i m o 信道可以提供随最小值m i n ( n ，m ) ( n 为发射 天线个数，m 为接收天线个数) 线性增加的容量，而不需要额外的功率和带宽。在有利的 环境下，利用同一频段传输多个信号，每个发送信号采用不同的发送天线，接收端也用多 个天线以及相应的信号处理技术把这些互相干扰的信号分离出来。因此，m i m o 系统通过 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章m i m o 系统中的天线选择技术 不同的天线发送独立的数据，将时域和空域相结合进行空时信号处理，并通过空时编码从 而获得分集增益和复用增益。m i m o 系统的容量在给定的信道频段上随天线的数量成比例 增加，因此该技术是无线通信领域智能大线技术的一个重大突破 2 2 】【2 3 】。 多天线阵元的使用不可避免的增加了系统的构造成本和处理的复杂度，因此，研究者 们提出了天线选择技术。该技术通过对接收端和发送端的大线选择，大大较少了射频处理 链路，从而降低成本。天线选择的性能接近于全天线使用的性能，且分集阶不变，因而可 以说，天线选择技术是在损失微小系统性能的情况下大大降低了系统的构造成本和后续信 号处理的复杂度。本章我们将介绍m i m o 系统的构造、基本原理等，并重点说明天线选择 技术的原理、性能和常用的方法。 2 1 天线选择的必要性 ( 1 ) 天线选择使得m i m o 系统硬件结构得以简化。 m i m o 系统可以显著提高系统容量和无线链路的通信质量，但是这种性能的提高得益 于收发端采用的多天线配置，它要求为每个收发天线配备相应的射频链路( 包括低噪声放 大器、a d 、d a 等) 。当基站用户很多时，系统硬件成本大幅度增加，且给系统配置和维 护带来困难。于是人们提出能否采用选择发射接收天线的方式，用相对较少的收发射